摘要：基于PIC單片機(jī)的溫濕度感測(cè)系統(tǒng)，以PIC單片機(jī)為核心，由溫濕度傳感器SHTll、162液晶顯示等模塊組成。首先SHTll對(duì)環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行檢測(cè)，通過二線串行接口將數(shù)字溫濕度信號(hào)送至PIC微控制器，最后利用微控制器完成相對(duì)濕度的非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，并將實(shí)際溫度和相對(duì)濕度值送液晶顯示器顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度的測(cè)控。結(jié)果表明，系統(tǒng)溫度測(cè)量誤差為0．5℃，濕度測(cè)量誤差為4％RH，同時(shí)顯示直觀方便，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。
關(guān)鍵詞：SHTll；溫濕度傳感器；單片機(jī)；162字符型液晶顯示模塊

    溫濕度的測(cè)量與控制在工業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保及日常生活的許多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，有很多地方都需要對(duì)溫度和濕度進(jìn)行定時(shí)或?qū)崟r(shí)監(jiān)控。人們除對(duì)溫濕度傳感器的普通性能(如精確度、長(zhǎng)期漂移特性等)感興趣外，還把目光聚集到其在不同環(huán)境下的耐久性、元件尺寸、數(shù)字化、簡(jiǎn)單和快速的系統(tǒng)綜合特性上。SHTll是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對(duì)濕度和溫度傳感器，可用來測(cè)量相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)等參數(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換的特點(diǎn)。該傳感器將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)融合，為開發(fā)高集成度、高精度、高可靠性的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)提供了解決方案。

1 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)
    溫濕度感測(cè)系統(tǒng)將單片機(jī)與溫濕度傳感器等技術(shù)相結(jié)合，以PIC單片機(jī)為微控制器，利用數(shù)字溫濕度傳感器SHTll對(duì)環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行檢測(cè)，通過二線串行接口將數(shù)字溫濕度信號(hào)送至PIC微控制器，最后利用PIC微控制器完成相對(duì)濕度的非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，并將實(shí)際溫度和相對(duì)濕度值送液晶顯示器顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度的測(cè)控。溫濕度感測(cè)系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器SHTll和PIC單片機(jī)以及162字符型液晶顯示屏組成。
1．1 數(shù)字溫濕度傳感器SHTll
    溫濕度傳感器SHTll將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A／D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該芯片包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個(gè)敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)首先進(jìn)入微弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入一個(gè)14位的A／D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。SHTll在出廠前，都會(huì)在恒濕或恒溫環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在校準(zhǔn)寄存器中，在測(cè)量過程中，校準(zhǔn)系數(shù)會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)來自傳感器的信號(hào)。此外，SHTll內(nèi)部還集成了一個(gè)加熱元件，加熱元件接通后可以將SHTll的溫度升高5℃左右，同時(shí)功耗也會(huì)有所增加。此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗(yàn)證兩個(gè)傳感器元件的性能。在高濕(>95％RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時(shí)縮短響應(yīng)時(shí)間，提高精度。加熱后SHTll溫度升高、相對(duì)濕度降低，較加熱前，測(cè)量值會(huì)略有差異。

    單片機(jī)和溫濕度傳感器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中SCK為時(shí)鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線，硬件接口電路非常簡(jiǎn)單。需要注意的是：DATA數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻，時(shí)鐘線SCK用于微處理器和SHTll之間通信同步，由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以對(duì)SCK最低頻率沒有要求，當(dāng)工作電壓高于4．5 V時(shí)，SCK頻率最高為10 MHz，而當(dāng)工作電壓低于4．5 V時(shí)，SCK最高頻率為1 MHz。由于所用單片機(jī)不具備I2C總線接口，故使用單片機(jī)通用I／O口線來虛擬I2C總線，并利用RA0口來虛擬數(shù)據(jù)線DATA，RA1口線來虛擬時(shí)鐘線，并在DATA端接入一只10kΩ的上拉電阻，同時(shí)，在VDD及GND端接入一只0．1μF的去耦電容。
    硬件連接如圖2所示。

1．2 162字符型液晶顯示模塊
    162字符型液晶顯示模塊是發(fā)展比較成熟的一種液晶顯示屏，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。它是一類專用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示兩行，每行可以顯示16個(gè)字符，162字符型液晶顯示模塊應(yīng)用到溫濕度感測(cè)系統(tǒng)中顯示溫濕度，直觀方便又節(jié)約成本。
    該顯示屏是一個(gè)以若干5x8或5x11點(diǎn)陣塊組成的顯示字符群。其中，字符群中的每一個(gè)字符塊為一個(gè)字符單位，字符間的點(diǎn)距和行距均為一個(gè)點(diǎn)的寬度。它的內(nèi)部有字符發(fā)生器CGROM，可以顯示160個(gè)5x7和32個(gè)5x10點(diǎn)陣字符，具有64個(gè)字節(jié)的CGRAM，可以自定義8個(gè)5x8或4個(gè)5x11點(diǎn)陣字符，有80個(gè)顯示存儲(chǔ)器DDRAM的地址。
    162字符型液晶顯示模塊由16個(gè)引腳組成，具體的引腳功能如表1所示。
    控制器接口信號(hào)說明：也就是RS、R／W和E信號(hào)的配合選擇決定控制接口的4種模式，如表2所示。

    162模塊與單片機(jī)的接口電路如圖3所示。
    硬件將162模塊的數(shù)據(jù)總線的低4位接為常態(tài)，在軟件中設(shè)置數(shù)據(jù)總線長(zhǎng)度為4位，4位數(shù)據(jù)總線時(shí)序圖如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 溫濕度讀取
    單片機(jī)和溫濕度傳感器通信采用串行二線接口SCK和DATA，該二線串行通信協(xié)議和I2C協(xié)議是不兼容的。由于采用二線串行接口，對(duì)于SHTll的操作按照嚴(yán)格時(shí)序，共有5條用戶命令，分別是測(cè)量溫度命令(03H)、測(cè)量濕度命令(05H)、讀寄存器狀態(tài)命令(07H)、寫寄存器狀態(tài)命令(06H)和軟啟動(dòng)命令(1EH)。
    單片機(jī)發(fā)出啟動(dòng)命令，隨后發(fā)出一個(gè)后續(xù)8位命令碼，該命令碼包含3個(gè)地址位(芯片設(shè)定地址為000)和5個(gè)命令位，發(fā)送完該命令碼，將DATA總線設(shè)為輸入狀態(tài)等待SHTll的響應(yīng)，SHTll接收到上述地址和命令碼后，在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為芯片的ACK；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿之后，芯片釋放DATA(恢復(fù)高電平)總線；釋放總線后，開始測(cè)量當(dāng)前濕度，測(cè)量結(jié)束后，再次將DATA總線拉為低電平；單片機(jī)檢測(cè)到DATA總線被拉低后，得知濕度測(cè)量已經(jīng)結(jié)束，給出SCK時(shí)鐘信號(hào)；芯片在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，先輸出高字節(jié)數(shù)據(jù)；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿，單片機(jī)將DATA總線拉低作為ACK信號(hào)，然后釋放總線DATA，在隨后8個(gè)SCK周期下降沿，芯片發(fā)出低字節(jié)數(shù)據(jù)；接下來的SCK下降沿，單片機(jī)再次將DATA總線拉低作為接收數(shù)據(jù)的ACK信號(hào)；最后8個(gè)SCK下降沿芯片發(fā)出CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，單片機(jī)不予應(yīng)答(NACK)則表示測(cè)量結(jié)束。CRC寄存器通過計(jì)算一個(gè)多項(xiàng)式(x8+x5+x4)之和來判定測(cè)量過程是否發(fā)生錯(cuò)誤，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，單片機(jī)就發(fā)送軟啟動(dòng)命令，重新進(jìn)行測(cè)量。如果不使用CRC校驗(yàn)，單片機(jī)可以在測(cè)量值LSB后保持應(yīng)答信號(hào)ACK高電平，來終止通信。SHTll在測(cè)量和通信完成后會(huì)自動(dòng)返回睡眠模式。
    以測(cè)量相對(duì)濕度，測(cè)量值N=0000100100110001為例，整個(gè)測(cè)量過程時(shí)序如圖5(a)、(b)、(c)所示。DATA為雙向數(shù)據(jù)口，圖5中粗線段表示由SHTll來控制數(shù)據(jù)線，常態(tài)下由單片機(jī)控制數(shù)據(jù)線。

    下面給出與上述硬件電路配套的PIC16的溫度傳感器讀取程序。
             
                                  RETURN
2．2 溫度和濕度值的計(jì)算
2．2．1 濕度線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償
    SHTll可通過DATA數(shù)據(jù)總線直接輸出數(shù)字量濕度值。該濕度值稱為“相對(duì)濕度”，需要進(jìn)行線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后才能得到較為準(zhǔn)確的濕度值。由于相對(duì)濕度數(shù)字輸出特性呈一定的非線性，因此為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性，可按下式修正濕度值：
   
    式中，RHlineer為經(jīng)過線性補(bǔ)償后的濕度值，SORH為相對(duì)濕度測(cè)量值，C1、C2、C3為線性補(bǔ)償系數(shù)。
    由于溫度對(duì)濕度的影響十分明顯，而實(shí)際溫度和測(cè)試參考溫度25℃有所不同，所以對(duì)線性補(bǔ)償后的濕度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償很有必要。補(bǔ)償公式如下：
   
    式中：RHtrue為經(jīng)過線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后的濕度值，T為測(cè)試濕度值時(shí)的溫度(℃)，t1和t2為溫度補(bǔ)償系數(shù)。
2．2．2 溫度值輸出
    由于SHTll是采用PTAT能隙材料制成的溫度敏感元件，因而具有很好的線性輸出。實(shí)際溫度值可由下式算得：
   
    式中，d1和d2為特定系數(shù)，d1的取值與SHTll工作電壓有關(guān)，d2的取值則與SHTll內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器采用的分辨率有關(guān)。
2．3 溫濕度顯示
    計(jì)算出溫度、濕度值后，在162字符型液晶顯示模塊上顯示出來，屏幕第一行顯示溫度值：“TEM：……”第二行顯示濕度值：“HUM：……”。程序設(shè)定每5 min更新一次溫濕度。顯示流程圖如圖6所示。

3 結(jié)論
    由PIC單片機(jī)和溫濕度數(shù)字傳感器SHTll以及162液晶顯示模塊組成的溫濕度感測(cè)系統(tǒng)，充分利用了SHTll的特點(diǎn)，又對(duì)溫濕度測(cè)量功能進(jìn)行了擴(kuò)充，使其具有顯示直觀、運(yùn)行可靠、擴(kuò)充方便等優(yōu)點(diǎn)。利用可控的加熱制冷設(shè)備對(duì)該系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)際結(jié)果表明：測(cè)溫范圍為-40～+100℃，誤差不超過0．5℃，濕度測(cè)量范圍是2～98％RH，誤差不超過4％RH(室溫25℃時(shí)測(cè)量)，達(dá)到了預(yù)期性能指標(biāo)，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。